面對不斷升級的內核,如何學習linux設備驅動

面對不斷升級的linux內核、GNU開發工具、linux環境下的各種圖形庫,很多linux應用程序開發人員和linux設備驅動開發人員即興奮,又煩躁。興奮的是新的軟件軟件、工具給我提供了更強大的功能,煩躁的是適應新軟件的特性、搭建新環境是一項非常繁瑣的事情。本文想從以下3個方面探討一下“面對不斷升級的內核,如何學習linux設備驅動”。

內核發展的現狀及其對技術人員的影響

Linux目前主要維護2.4和2.6兩個內核版本。在http://www.kernel.org/ 網站上已經可 以下載到最新的2.6內核linux-2.6.31,及最新的2.4內核linux-2.4.37。穩定版本號基本上是1~3月更新一次,如:2.6.22至2.6.23。升級版本號每1~2周更新一次,如:2.6.23.1至2.6.23.2。

由於高版本內核並不完全兼容低版本內核,所以內核升級對從事linux開發的技術人員造成了一定的影響,特別對於linux入門人員。

內核的升級對應從事linux應用程序開發的人員來說影響較小,因爲系統調用基本保持兼容。而影響比較大的是驅動開發人員。每次內核的更新都可以導致很多內核函數使用上的變化。其中有內核本身提供的函數,也有硬件平臺代碼提供的函數,後者變化的更加頻繁。這一點讓初學內核驅動的人很迷茫,因爲當他們按照手裏的經典著作,如:Alessandro的《linux設備驅動程序》,編寫驅動時,發現並不能夠成功的在你的linux平臺上編譯通過、或不能正常執行。你的朋友會告訴你,你用的內核和書裏的不一致。那該怎麼辦呢?

我想從兩個方面去解釋這個問題,一方面是如何寫好linux設備驅動,另一方面是如何應對不斷升級的內核。

如何寫好Linux設備驅動

Linux設備驅動是linux內核的一部分,是用來封裝硬件細節,爲上層提供標準接口的一種方法。爲了能夠編寫出質量比較高的驅動,要求工程師必須具備以下幾個方面的知識:

熟悉處理器的性能

如:處理器的體系結構、彙編語言、工作模式、異常處理等此項對於初學者來說,重要程度:***。也就是說還不熟悉驅動編寫方法的情況下,可
以先不把重心放在這一項上,因爲可能因爲它的枯燥、抽象而影響到你對設備驅動的興趣。

隨着你不斷的熟悉驅動的編寫,你會很自然的意識到此項的重要性。

掌握驅動目標的硬件工作原理及通訊協議

如:串口控制器、顯卡控制器、硬件編解碼、存儲卡控制器、I2C通訊、SPI通訊、USB通訊、SDIO通訊、I2S通訊、PCI通訊等

此項的重要程度應該不用多說了,編寫設備驅動的前提就是知道設備的操作方法。但不是說要把所有設備的操作方法都熟悉了以後纔可以驅動,你只需要瞭解你要驅動的硬件就可以了。所有這一項對於初學者來說重要程度都是:*****。

掌握硬件的控制方法

如:中斷、輪詢、DMA 通常一個硬件控制器會有多種控制方法,你需要根據系統性能的需要合理的選擇操作方法。

此項對於初學者來說:重要程度:****。初學階段以實現功能爲目的。掌握的順序應該是,輪詢->中斷->DMA。隨着學習的深入,需要綜合考慮系統的性能需求,採取合適的方法。

良好的GNU C語言編程基礎

如:C語言的指針、結構體、內存操作、鏈表、隊列、棧、C和彙編混合編程等。

這些編程語法是編寫設備驅動的基礎。

此項無論對於初學者還是熟手重要程度:*****。

良好的linux操作系統概念

如:多進程、多線程、進程調度、進程搶佔、進程上下文、虛擬內存、原子操作、阻塞、睡眠、同步等概念及它們之間的關係。

這些概念及方法在設備驅動的使用是linux設備驅動區別單片機編程的最大特點。只有理解了它們纔會編寫出高質量的驅動。

此項對於初學者來說:重要程度:***。開始可以以實現功能爲目的,逐步完善自己的驅動。

掌握linux內核中設備驅動的編寫接口

如:字符設備的cdev、塊設備的gendisk、網絡設備的net_device,以及基於這些基本接口的framebuffer設備的fb_info、mtd設備的mtd_info、tty設備的tty_driver、usb設備的usb_driver、mmc設備的mmc_host等

Linux內核爲設備驅動編寫者留下了標準的接口。驅動編寫者無需精通內核的各個部分,只需要明確內核留給我們的接口,並實現此接口就可以了。內核流出的接口採用的是面向對象的思路,即把目標設備看成一個對象,通常利用一個結構體來描述這個對象。驅動工程師的任務就是實現這個對象。這個結構體中會包含設備的屬性(用變量表示)和操作方法(用函數指針表示)。如:字符設備的cdev

struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops;  //操作方法結合,其它項都是屬性
    struct list_head list;
    dev_t dev;
    unsigned int count;
};

此項對於初學者來說:重要程度:****。開始階段可以以模仿爲主,即套用一些固定的模板。

如何應對不斷升級的內核

內核升級對驅動的影響主要體現在,(1)驅動接口定義的變化(2)內核的一些功能函數的名稱、參數、頭文件、宏定義的變化(3)平臺代碼關於硬件操作方面封裝的一些函數的變化(4)設備模型的影響。下面探討一下,如何應對這幾個方面的問題:

驅動接口定義的變化

如:2.4內核中字符設備驅動的註冊接口是

int register_chrdev(unsigned int major, const char * name, struct file_operations *fops)

而2.6內核中已經不建議使用這種方法了,改爲:

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

又如:2.6.27內核中網卡接口的net_device結構成員和低版本的net_device結構成員也發生了一些變化。

這種接口定義及註冊方法帶來的變化,發生的並不頻繁。解決方案是:參考內核中的代碼。這種接口定義及註冊方法在內核中非常容易找到,如:字符設備驅動的註冊方法及接口定義可以參照內核driver/char/目錄下的很多實例。

內核的一些功能函數的名稱、參數、頭文件、宏定義的變化

如:中斷註冊函數的格式及參數在2.4內核、2.6內核低版本和高版本之間都存在差別

在2.6.8中,中斷註冊函數的定義爲:

int request_irq(unsigned int irq, irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *),unsigned long irq_flags, const char * devname, void *dev_id)

irq_flags的取值主要爲下面的某一種或組合:

SA_INTERRUPT、SA_SAMPLE_RANDOM、SA_SHIRQ

在2.6.26中,中斷註冊函數的定義爲:

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)
typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

irq_flags的取值主要爲下面的某一種或組合:(功能和2.6.8的對應)

IRQF_DISABLED、IRQF_SAMPLE_RANDOM、IRQF_SHARED

當出現這些問題時,編譯過程中,編譯器會給我們比較明確的錯誤提示,根據這些提示你可以判斷出是否是缺少頭問題、是否是函數參數定義有誤等。解決問題的最好辦法還是到你的目標內核中找信息。此時找問題的方法可以藉助於搜索,如:你可以在新的內核中搜索request_irq,看新內核中的驅動是如何使用它的。這種方法非常有效。

平臺代碼關於硬件操作方面封裝的一些函數的變化

內核中,硬件平臺相關的代碼在內核更新過程中變化比較頻繁。和我們的設備驅動也是息息相關。所以在針對一個新內核編寫設備驅動前,一定要熟悉你的平臺代碼的結構。有時平臺雖然提供了內核要求的接口函數,但使用起來功能卻並不完善。下面還是先舉個例子說明平臺代碼更新對設備驅動的影響。

如:在linux-2.6.8內核中,調用set_irq_type(IRQ_EINT0, IRQT_FALLING);去設置S3C2410的IRQ_EINT0的中斷觸發信號類型,你會發現不會有什麼效果。跟蹤代碼發現內核的set_irq_type函數需要平臺提供一個針對硬件平臺的實現函數

static struct irqchip s3c_irqext_chip = {
    .mask       = s3c_irqext_mask,
    .unmask     = s3c_irqext_unmask,
    .ack        = s3c_irqext_ack,
    .type      = s3c_irqext_type
};
s3c_irqext_type就是linux內核需要的實現函數而s3c_irqext_type在2.6.8中的實現爲:
static int s3c_irqext_type(unsigned int irq, unsigned int type)
{
    irqdbf("s3c_irqext_type: called for irq %d, type %d/n", irq, type);
    return 0;
}

原來並沒有實現。而在較高版本的內核,如2.6.26內核中,這個函數是實現了的。所以你一定要小心。當平臺函數不好用時,一定要查查原因,或者直接操作硬件寄存器來達到目的。

2.6內核設備模型對驅動的影響

在2.6內核中寫設備驅動和在2.4內核中有着很大的不同,就是在設備驅動中融入了比設備驅動本身結構還複雜,難以理解的設備模型。初學驅動時你可以不理會設備模型,但你會發現內核裏的驅動代碼基本上都是融入了設備模型的了。所以很多時候你不得不面對現實,還是要弄懂它,並且它也的註冊方法也會隨着內核的升級而發生變化。解決此類問題的最好方法還是參考目標內核驅動代碼。

總結:

開始學習設備驅動時,選擇一個當前比較流行的內核版本和硬件平臺。不着急追趕最新潮流。這樣你可以找到的網絡資源會比較多,不至於有孤軍奮戰的感覺。我想這個過程應該不低於1年。當過了這個過程後,嘗試將你編寫過的驅動移植到各個目標平臺上。上面的一些建議、和應對方法是本人的一些經驗總結,僅供參考。 (作者:劉洪濤,華清遠見嵌入式學院金牌講師


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